Une exigence clé pour les futures installations qui visent à capturer et contrôler sur Terre l'énergie de fusion qui entraîne le soleil et les étoiles est des prédictions précises de la pression du plasma - le chaud, gaz chargé qui alimente les réactions de fusion à l'intérieur de tokamaks en forme de beignet qui abritent les réactions. Au cœur de ces prédictions est la prévision de la pression que la couche de raclage, la fine bande de gaz au bord du plasma, exerce sur le divertor, le dispositif qui évacue la chaleur résiduelle des réactions de fusion.

Des chercheurs du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont développé de nouvelles connaissances sur la physique régissant l'équilibre de la pression dans la couche de raclage. Cet équilibre doit garantir que la pression du plasma dans tout le tokamak est suffisamment élevée pour produire une réaction de fusion largement auto-échauffante. L'équilibre doit également limiter l'impact potentiellement dommageable de la chaleur et des particules de plasma qui frappent le divertor et d'autres composants faisant face au plasma du tokamak.

"Les hypothèses simples précédentes sur l'équilibre des pressions dans la couche de raclage sont incomplètes, " a déclaré le physicien du PPPL Michael Churchill, auteur principal d'un La fusion nucléaire document qui décrit les nouvelles découvertes. "Les codes qui simulent la couche de grattage ont souvent rejeté des aspects importants de la physique, et le terrain commence à le reconnaître."

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, est la fusion d'éléments légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère des quantités massives d'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Facteurs clés

Les collègues de Churchill et PPPL ont déterminé les facteurs clés de l'équilibre des pressions en exécutant le code informatique XGCa de pointe sur les supercalculateurs Cori et Edison du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du DOE Office of Science. Le code traite le plasma à un niveau cinétique détaillé (ou mouvement des particules) plutôt que comme un fluide.

Parmi les principales caractéristiques trouvées figurait l'impact de la dérive massive des ions, un impact que les codes précédents ont largement ignoré. De telles dérives « peuvent jouer un rôle essentiel », écrivent les auteurs, et "sont très importants à prendre en compte."

Les effets cinétiques des particules dus aux ions ayant des températures différentes en fonction de leur direction ont également été considérés comme importants dans l'équilibre de la quantité de mouvement ou de la pression. Étant donné que la température des ions est difficile à mesurer dans la couche de raclage, le papier dit, "des efforts de diagnostic accrus devraient être déployés pour mesurer avec précision la température et les flux d'ions et ainsi permettre une meilleure compréhension du rôle des ions dans le SOL."

Les nouvelles découvertes pourraient améliorer la compréhension de la pression de la couche de raclage au niveau du divertor, Churchill a dit :et pourrait conduire à des prévisions précises pour l'expérience internationale ITER en construction en France et d'autres tokamaks de prochaine génération.